[논문 리뷰] Carbonaceous molecules in the oxygen-rich circumstellar environment of binary post-AGB stars: C_{60} fullerenes and polycyclic aromatic hydrocarbons

C. Gielen, J. Cami외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 69인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 이분법적 후-적색거성 별 주변의 산소 농축 환경에서 C60 플루오레닌과 다환화합물(PAHs)의 첫 번째 검출을 보고하며, 기존의 탄소 농축 유동에서만 이러한 탄소계 분자가 형성된다는 전통적 견해에 도전한다. 스피츠너 IRS 분광법을 통해 저자들은 중심 별과 그들의 원형이중원환형 디스크가 산소 농축임에도 불구하고 큰 탄소 분자가 지속된다는 것을 보여주며, 이는 예상치 못한 화학적 처리 또는 충격 유도 전환과 같은 비평형 과정(예: PAHs가 플루오레닌으로 전환)을 시사한다.

ABSTRACT

Context. The circumstellar environment of evolved stars is generally rich in molecular gas and dust. Typically, the entire environment is either oxygen-rich or carbon-rich, depending on the evolution of the central star. Aims. In this paper we discuss three evolved disc sources with evidence of atypical emission lines in their infrared spectra. The stars were taken from a larger sample of post-AGB binaries for which we have Spitzer infrared spectra, characterised by the presence of a stable oxygen-rich circumbinary disc. Our previous studies have shown that the infrared spectra of post-AGB disc sources are dominated by silicate dust emission, often with an extremely high crystallinity fraction. However, the three sources described here are selected because they show a peculiar molecular chemistry. Methods. Using Spitzer infrared spectroscopy, we study in detail the peculiar mineralogy of the three sample stars. Using the observed emission features, we identify the different observed dust, molecular and gas species. Results. The infrared spectra show emission features due to various oxygen-rich dust components, as well as CO2 gas. All three sources show the strong infrared bands generally ascribed to polycyclic aromatic hydrocarbons. Furthermore, two sample sources show C60 fullerene bands. Conclusions. Even though the majority of post-AGB disc sources are dominated by silicate dust in their circumstellar environment, we do find evidence that, for some sources at least, additional processing must occur to explain the presence of large carbonaceous molecules. There is evidence that some of these sources are still oxygen-rich, which makes the detection of these molecules even more surprising.

연구 동기 및 목표

• 후-적색거성 이중성 별의 산소 농축 환경에서 탄소계 분자의 존재를 조사하는 것. 이러한 환경는 일반적으로 실리케이트 먼지에 의해 지배된다고 예상된다.
• 이러한 산소 농축 시스템에서 PAHs와 C60 플루오레닌의 검출이 비평형 화학 또는 이국적인 물리적 조건을 나타내는지 판단하는 것.
• 탄소가 CO에 갇혀 있을 것으로 예상되는 환경에서 큰 탄소계 분자가 어떻게 형성되거나 생존할 수 있는지 메커니즘을 탐색하는 것.
• 충격, 항성 진동 또는 촉매 과정이 산소 농축 디스크에서 복잡한 탄소계 분자의 형성에 기여하는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 알려진 산소 농축 원환형 디스크를 지닌 세 개의 이중성 후-적색거성 별의 고해상도 및 저해상도 스피츠너 적외선 분광기(IRS) 스펙트럼 분석.
• 5–20 µm 범위 내 특징적인 발광 피크를 통해 먼지, 기체 및 분자 종을 식별하는 것.
• 비정질 및 결정성 실리케이트, CO2 기체, PAHs, C60 플루오레닌의 발광을 분리하고 정량화하기 위한 스펙트럼 피팅.
• 7.8, 8.5, 11.2, 17.1 µm 발광 피크의 상대 강도를 기반으로 C60 플루오레닌의 진동 온도와 질량 추정.
• LAB 및 이론적 모델의 PAH 및 플루오레닌 발광과 관측 스펙트럼 비교.
• 디스크 질량과 진화 상태를 진단하기 위해 LIR/L∗ 비율을 사용하여 분자 구성과의 상관관계 탐색.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 산소 농축으로 분류되는 원환형 환경에서 C60 플루오레닌과 PAHs를 검출할 수 있는가?
• RQ2 산소 농축 디스크에서 큰 탄소계 분자의 형성 또는 생존을 가능하게 하는 물리적 또는 화학적 과정은 무엇인가?
• RQ3 CO2 기체의 존재가 이러한 산소 농축 시스템에서 탄소계 분자의 형성과 관련이 있는가?
• RQ4 왜 후-적색거성 디스크 소스 중 약 70개 중에서 오직 6개만이 검출 가능한 PAHs 또는 플루오레닌을 포함하는가?

주요 결과

• 연구된 세 개의 후-적색거성 이중성 별—IRAS 06338, HD 52961, EP Lyr—은 산소 농축 실리케이트, CO2 기체, PAHs, C60 플루오레닌의 강한 발광 피크를 나타낸다.
• 이 연구는 산소 농축 후-적색거성 시스템에서 C60 플루오레닌의 명확한 첫 번째 검출을 보고하며, 이 분자는 7.8, 8.5, 11.2, 17.1 µm 발광 피크를 특징적으로 나타낸다.
• HD 52961과 IRAS 06338에서 C60의 진동 온도는 약 1500 K로 추정되어 고에너지 상태에서의 발광을 시사한다.
• 이들 천체에서 유도된 C60 질량은 10−6에서 10−5 M⊙ 수준이며, 플루오레닌의 상당한 생성 또는 축적을 시사한다.
• C/O < 1로 산소 농축으로 분류됨에도 불구하고 PAHs와 C60의 존재는 탄소가 CO에 완전히 갇혀 있지 않음을 시사하며, 활발한 화학적 처리가 일어나고 있음을 나타낸다.
• 이들 천체에서 LIR/L∗ 비율이 낮은 (3–12%) 것은 먼지 질량이 낮거나 더 투명한 디스크를 의미하며, 이는 기체 선의 가시성 향상과 광분해 속도 영향을 미칠 수 있다.